Осциллографический способ измерения временных параметров сигналов

(51) 3: Н 1 " ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ е ос СУДАРСТВЕКНЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТ(56) Техническое описани циллографа типа С 9-7.Рябинин Ю,А. Стробоскопическое осциллографирование. М., 1972, с, 228 и 229.(54) ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к радиоиэмерительной технике. Осциллографический способ измерения временных параметров сигналов реализован в уст ройстве, содержащем строб-преобразователь 1, компаратор 2, усилитель (У) 3 вертикального отклонения,эле тронно-лучевую трубку 4, У 5 подсвета, счетный триггер 6, генератор (Г) 9 быстрого пилообразного напряжения, синхронизатор 10, усилитель 11 горизонтального отклонения, мультиплексоры 12, 17, цифроаналоговый преобразователь 13, счетчики 7, 8, 14 и 22 автосдвига, меток, режима и накоплений соответственно, потенциометры 15 и 16 "Старт" и "Стоп" соответственно, элемент И 18, Г 19 эталонной частоты, реверсивный счетчик 20, регистр 21 и цифровой индикатор 23. Сущность способа заключается в том, что определение заданных уровней исследуемого сигнала, между которыми заключен интересующий временной интервал, проводят в трансформированном масштабе времени методом стробирования, а измерение выделенного с помощью этих уровней интервала времени проводят в реальном масштабе времени, Повышается точность измерений коротких временных интервалов. 3 илФаюр. ИмаИзобретение относится к радиоизмерцте.иной технике и может бьпь испольэовацо для измерения временць 1 х параметров импульсного сигнала, например длительности импульса, времеци царастация.Цель изобретеция - повышение точности измерения коротких времеццых 1 О интервалов, Сущность способа заключается в том, что определецие заданных уровней исследуемого сигнала, между которыми заключен ицтересующий временной интервал, проводят в трансформироваццом масштабе времени методомстробировация, и измерение выделенного с помощью этих уровней интервалавремени проводят в реальном масштабе 15 20 Известные стробоскопические методы не позволяют проводить измерениекоротких временных интервалов в реальцом масштабе времени, с высокойточностью. Это объясняется тем общимпринципом, который лежит в основепостроения всех широкополосных стробпреобразователей. Высоким быстродействием и малым временем нарастания( с. 30 пс) обладают только входныецепи строб-преобразователя, а уси.пение, преобразование и измерениемгновенных отсчетов исследуемого 50сигнала осуществляется после их запомицация на накопительной емкости,в относительно узкополосной и низкочастотной схеме, с временем нарастания порядка микросекунды. Погрешность, с которой может быть зафиксирован момент появления результатаизмерения на выходе строб-преобразователя в реальцом масштабе времени времени,При этом составляющую погрешности,обусловленную коцечцым временем нарастания входной цепи измерителя,снижают с помощью метода стробирования, позволяющего реализовать минимальное значение времени нарастания.С другой стороны, составляющую погрешности, присущую известным стробоскопическцм методам измерения временных интервалов и связанную с неидеальцостью временной шкалы, сформированной в трансформированном масштабе времени, снижают путем формирования временной шкалы в реальном масштабе времени, например, с помощью 35прецизиоццого кварцевого генератора.(момент совпадения мгновенного значения сигнала с заданным уровнем "Старт" или Стоп" ), не может быть мецьше, чем время нарастания стробоскопического преобразователя в реальном масштабе времени. Это время определяется выходной цепью строб-преобразователя и составляет 1 мкс,Таким образом, стробоскопические методы це используются для проведения измерений в реальном масштабе времени из-за противоречия между малым временем нарастания входной цепи строб-преобразователя и большим временем нарастация его выходной цепи,Предлагаемый способ позволяет устранить укаэанное противоречие за счет того, что совпадение мгновенных отсчетов исследуемого сигнала с заданными уровнями цСтартц и цСтопц используют не для фиксации соответствующих моментов времени, как во всех известных способах, а для Фиксации соответствующих значений второго сигнала развертки, при которых это совпадение произошло. Моменты времени, соответствующие совпадению мгновенных значений исследуемого сигнала с задацными уровнями цСтарт" и Стоп, фиксируют в реальном масштабе времени путем сравнения первого сигнала развертки с зафиксированными ранее значениями второго сигнала развертки,не дожидаясь ца этом этапе появления результата сравнения выходного сигнала строб-преобразователя с заданными уровнями. Проведение процедуры вьщелеция начального и конечного моментов времени, ограничивающих искомый интервал, в два этапа (вначале фиксируют первое и второе значения второго сигнала развертки, а затем моменты времени, соответствующие им) является новым .и позволяет осуществлять измерение временных интервалов с недостижимой ранее точностью, которая ограничена временем нарастания строб-импульса стробоскопического преобразователя (30 пс).На фиг,1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - диаграммы напряжений в характерных точках схемы (обозначения диаграмм соответствуют обозначениям на структурной схеме); на фиг;3 - осциллограмма исспедуемого сигцала при из 137 2234мереции длительности импульса гц на уровне 0,5.Устройство содержит строб-преобразователь 1, компаратор 2, усилитель 3 вертикального отклонения, электронно-лучевую трубку 4, усилитерь 5 подсвета, счетный триггер 6, счетчик 7 автосдвига, счетчик 8 меток, генератор 9 быстрого пилообразного напря жения (БПН), синхронизатор 10, усилитель 11 горизонтального отклонения, первый мультиплексор 12, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, счетчик 14 режима, потенциометр 15 15 "Старт", потенциометр 16 "Стоп", второй мультиплексор 17, элемент И 18, генератор 19 эталонной частоты, реверсивный счетчик 20, регистр 21, счетчик 22 накоплении, цифровой ин дикатар 23. Вход строб-преобразователя 1 соединен с шиной исследуемого сигнала, вход стробирования - с выходом компаратора 2, а выход - через усилитель 3 вертикального отклонения с вертикально отклоняющими пластинами электронно-лучевой трубки 4, Модулятор (не показан) электронно-Лучевой трубки 4 подключен через усилитель 5 подсвета к выходу компаратора 2, установочному входу счетного триггера 6, счетным входам счетчика 7 авто- сдвига и счетчика 8 меток. Первый35 вход компаратора 2 подключен через генератор 9 быстрого пилообразного напряжения к счетному входу счетного триггера 6 и выходу синхронизатора 10, вход которого подключен к ш - 40 не синхронизации, Второй вход компаратора 2 подключен через усилитель 11 горизонтального отклонения к горизонтально отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки 4 и к выходу ,45 первого мультиплексора 12. Кодовый выход счетчика 7 автосдвига подключен через цифроаналоговый преобразователь 13 к входам первого мультиплексора 12, а выход переполнения -50 к входам первого мультиплексора 12. Выход переполнения счетчика 8 соединен с входами первого мультиплексора 12, выход которого соединен со счетным входом счетчика 14 режима и с установочными входами счетчика 7 ав 55 тосдвига и счетчика 8 меток, Вход первого мультиплексора 12 соединен со средним выводом потенциометра 15 Старт , а вход - со средним цыцодом потенциометра 16 "Стоп", крайние выводы которых подключены к источникампитания противоположной полярности. Выход старшего разряда счетчика 14 режима соединен с управляющими входами первого мультиплексора 12 и второго мультиплексора 17, а выход младшего разряда - с управляющими входами этих же мультиплексоров,блокирующие выходы которых подключены к шине нулевого потенциала (корпус), Входы второго мультиплексора также подключены к шине нулевого потенциала, Выход счетного триггера 6 соединен с первым входом элемента И 18, второй вход которого соединен с выходом генератора 19 эталонной частоты, а выход - с входами второго мультиплексора 17, выходы которого подключены к входам Заем и цПерецос реверсивного счетчика 20, Кодовый выход реверсивного счетчика 20 соединен с информационным входом регистра 21, а установочный вход реверсивного счетчика 20 и синхронизирующий вход регистра 21 соединены с выходом переполнения счетчика 22 накопления, счетный вход которого соединен с выходом переполнения счетчика 14 режима. Выход регистра 21 соединен с входом цифрового индикатора 23.При этом связи между счетчиком 7 автосдвига и цифроаналоговым преобразователем 13, реверсивным счетчиком 20 и регистром 21, регистром 21 и цифровым индикатором 23 выполнены многоразрядными шинами (направление передачи сигналов по шинам показано на фиг,1 стрелками).Строб-преобразователь 1 содержит смеситель мостового типа на диодах, усилитель и строб-генератор.Усилитель 3 вертикального отклонения и усилитель 11 горизонтального отклонения выполнены по дифференциальной схеме на основе усилительньгх каскадов типа ОЭ-ОБ. Усилитель 5 подсвета собран накаскадах типа общая база, общий эмиттер и общий коллектор. Пля формирования длительности импульса подсвета в схеме используется дифференцирующая цепочкаСинхронизатор 10 содержит входной усилитель, быстродействующийбистабильный триггер, переключательполярности, выходной формировательи схему задержки.Первый мультиплексор 12 и второймультиплексор 17 содержат дешифратори по два четырехканальных коммутатора,Предлагаемый способ с помощьюданного устройства осуществляют следующим образом,Исследуемый сигнал поступает навход строб-преобразователя 1, который осуществляет выборку мгновенных значений этого сигнала в моменты времени С 1, Сэ, , определяемые сигналом стробирования свыхода компаратора 2 (фиг.2 г), Отсчеты исследуемого сигнала, полученные путем стробирования, поступают с выхода строб-преобразователя 1 через усилитель 3 вертикального отклонения на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 4. 1 О 15 20 Один цикл работы данного устройства разбит на четыре такта (фиг.2). В первом такте на выход мультиплексора 12 поступает напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 13 (фиг.2 в), управляемого счетчиком 7 автосдвига, который подсчитывает число проведенных стробирований, В45 результате на выходе преобразователя 13 формируется ступенчато нараста. ющее пилообразное напряжение, которое осуществляет автосдвиг момента стробирования на один шаг после проведения очередного стробирования. Это же напряжение поступает через усилитель 11 горизонтального отклокения на горизонтальио отклоняющие пластины трубки 4, осуществляя развертку точечного иэображения иссле. - 55 дуемого сигнала. Подсвет точек изображения осуществляется сигналом стробирования, поступающим через 25Компаратор 2 сравнивает первый сигнал развертки (фиг.26), вырабатываемый генератором 9 быстрого пилообразного напряжения по сигналам синхронизации (фиг,2 а) с выхода син 30 хрониэатора 10, с вторым сигналом развертки (фиг.2 в), поступающим с выхода первого мультиплексора 12 (сигналы, поступающие с выхода первого мультиплексора, обозначены пунктирной линией). 35 усилитель 5 подсвета на модулятортрубки 4,Автосдвиг момента стробированияпродолжается до тех пор, пока на выходе счетчика 7 автосдвига не появляется сигнал переполнения, которыйпоступает с выхода мультиплексора12 на счетный вход счетчика 14 режима. Счетчик 14 режима изменяетсвое состояние на единицу (в счетчике 14 записана 2) и подключает темсамым вход мультиплексора 12 к еговыходу,Одновременно сигнал с выхода мультиплексора 12 поступает на установочные входы счетчика 7 автосдвигаи счетчика 8 метки, устанавливая ихв начальное состояние. С этого момента (фиг,2) начинается второй тактработы устройства.В течение второго такта компаратор 2 проводит сравнение быстрогопилообразного напряжения с выхода генератора 9 с постоянным напряжением,поступающим череэ мультиплексор 12с потенциометра 15 "Старт". При этомстробирование входного сигнала осуществляется в одной точке в моментвремени С , (фиг,2 г). Сигнал стробирования, поступающий с выхода компаратора 2 через усилитель 5 подсвета на модулятор трубки 4, подсвечивает точку на сигнале, в которой про.водится стробирование. За счет дополнительных импульсов подсвета втечение второго такта точка на изображении сигнала, соответствующаямоменту времени йсщ , подсвеченаярче остальных и может быть использована в качестве яркостной меткиСтарт(фиг,3). Положение этой метки на иэображении сигнала регулируется потенциометром 15 "Старт" путем изменения постоянного напряжения, поступающего на компаратор 2.Стробирование исследуемого сигнала в точке Старт" продолжается до появления сигнала переполнения на выходе счетчика 8 метки. Сигнал переполнения поступает с выхода счетчика 8 через открытый во втором такте канал мультиплексора 12 на его выход и далее на счетный вход счетчика 14 режима и установочные входы счетчиков 7 и 8. Счетчик 14 режима увеличивает свое состояние на единицу (в счетчике записывается 3) и подключает вход мультиплексора 121372234 10 к выходу, Счетчики 7 и 8 устанавливаются в начальное состояние. Начинается третий такт работы устройства(фиг.2),В третьем такте на экране трубкиповторно формируется точечное изображение исследуемого сигнала аналогично тому, как это делается в первом такте, Длительность первого итретьего тактов определяется емкостью И счетчика 7 автосдвига (в данном случае М = 256) и периодом повторения синхроимпульсов (фиг.2 а), Номер такта и режим работы всего устройства определяются счетчиком 14режима, который содержит два счетных триггера и имеет емкость, равнуючетырем, в соответствии с числомтактов работы устройства, После переполнения в третьем такте счетчика7 автосдвига сигнал переполненияпоступает с выхода мультиплексора 12на счетчик 14 и начинается четвертый такт работы устройства. 25В четвертом такте компаратор,2проводит сравнение быстрого пилообразного напряжения с постоянным напряжением, поступающим с потенциометра 16 "Стоп". При этом стробирование входного сигнала осуществляется в одной точке в момент времени(фиг.2 г). На изображении сигнала подсвечивается яркостная меткаСтоп", соответствующая моментустробирования. Положение этой метки регулируется потенциометром 16"Стоп". Длительность второго и четвертого тактов определяется емкостьюш счетчика 8 метки (в данном случае 40т = 10) и периодом повторения синхроимпульсов (фиг,2 а). Таким образом, яркость меток нСтарт" и нСтоп 1по отношению к яркости остальныхточек на изображении сигнала определяется отношением емкостей счетчиков 7 и 8. Каждая из И точек наизображении сигнала подсвечиваетсядважды за один цикл работы, в первом и третьем тактах,а.подсвечивание каждой из меток проводится по шраз во втором и четвертом тактах соответственно.В течение работы данного устройства последовательность тактов егоработы непрерывно повторяется 1, 2,3, 4, 1, 2, 3, 4, 1 и т.д. При этомна экране трубки 4 наблюдается точечное изображение исследуемого сигнала в трансформированном масштабевремени, сформированное в течениепервого и третьего тактов, с двумяяркостными метками, подсвет которыхосуществляется в течение второго ичетвертого тактов (фиг.З).Проведение измерений начинают сопределения амплитуды исследуемогосигнала Бпо шкале, нанесеннойампл на экран трубки 4 (фиг. 3) . Затем наосновании полученного значения вычисляют постоянные уровни Старти "Стоп,между которыми заключен интересующий временной интервал. Например, при измерении времени нарастания фронта исследуемого импульсауровни Старт" и Стоп составляют0,1 Уи 0,9 11 мл соответственно (фиг.З). Отмечают полученные уровни "Старт" и "Стоп по шкале трубки.Например, на фиг.З эти уровни отмечены путем их совмещения с пунктирными линиями, нанесенными на экрантрубки 4,Сравнение мгновенных значений исследуемого сигнала с отмеченными по шкале уровнями Старт и "Стопа проводят визуально по экрану трубки. Причем для фиксирования (запоминания) первого и второго значений второго сигнала развертки, при которых мгновенные значения исследуемого сигнала равны отмеченным уровням Старт и "Стоп , устанавливают с помощью потенциометров 15 и 16 яркостные метки Сарт и Стоп в точках пересечения интересующего участка исследуемого сигнала, например фронта импульса (фиг.З), с отмеченными уровнями Старт и Стопсоответственно. Запоминание (фиксация) первого и второго значений второго сигнала развертки осуществляется установкой (фиксацией) оси соответствующего потенциометра (Старт" или "Стоп", фиг, 1) в соответствующее положениеЯркостные метки необходимы в данном устройстве для индикации тех точек на иэображении сигнала, временное положение которых относительно сигнала синхронизации соответствует значениям второго сигнала развертки, зафиксированным на потенциометрах 15 "Старт" и 16 "Стоп", и используютсядля совмещения указанных точек с точ 1372234 10ками пересечения сигнала с уровнями"Старт" и "Стоп". Если сравненйемгновенных значений исследуемого сигнала с уровнями Старт и Стопосуществляется не по экрану трубки,а автоматически, например в аналоговой форме с помощью отдельного компаратора или в цифровой форме программным путем с помощью микропроцессора, то необходимость в яркостныхметках отпадает.Одновременно с проведением стробирования входного сигнала в устройство осуществляется формирование 15вспомогательных импульсов (фиг.2 д),фронт которых совпадает с моментомпоявления синхроимпульсов (фиг.2 а),а срез - с моментом стробирования(фиг.2 г). Эти импульсы формируются 20на выходе счетного триггера 6 и поступают на вход элемента И 18, надругой вход которого подается импульсный сигнал эталонной частоты сгенератора 19 (фиг. 1)На выходе эле. 25мента И 18 формируются пачки импульсов эталонной частоты (фиг,2 е), причем число импульсов в пачке (на выходе элемента 18) соответствует длительности импульса, поступившего навход элемента И 18 с выхода триггера 6 (фиг.2 д).Пачки импульсов эталонной частоты подаются на входы второго мультиплексора 17, который подключен по35управляющим входам параллельно первому мультиплексору 12 и переключается одновременно с ним, Управлениемультиплексором 17 также осуществляет счетчик 14 режима,40Так как входы второго мультиплексора 17 подключены к общей шине(фиг.1), то сигнал (пачки импульсовэталонной частоть 1) появляется на еговыходе только во втором такте работы (фиг.2 ж), а на выходе - тольков четвертом такте работы (фиг,2 з).Причем, поскольку во втором такте работы происходит стробирование сигнала в тачке, выделенной меткой"Стартна выход мультиплексора 1750проходят только пачки импульсов эталонной частоты, соответствующие длительности вспомогательного импульсного сигнала "Старт" (фиг.2 ж). Аналогично на выход мультиплексора 1755проходят только пачки импульсов эталонной частоты, соответствующие длительности вспомогательного импульсного сигнала ",Стоп" (фиг.2 з). В остальное время на выходы мультиплексора 17 поступает уровень логического нуля с общей шины (фиг,2 ж,з). Сигналы с выходов мультиплексора 17 поочередно поступают на входыЗаем и,Перенос" реверсивного двоично-десятичного счетчика 20 соот-ветственно (фиг,1, 2 ж, з). В результате после окончания цикла работыустройства (фиг.2 к) в реверсивномсчетчике 20 оказывается записаннымчисло (периодов импульсного сигналаэталонной частоты), соответствующеедлительности временного интервала,выделенного на экране трубки 4 яркостными метками "Старт" и "Стоп"(фиг.3). Длительность этого интервала равна разности между длительностью вспомогательных импульсов с выхода счетного триггера 6 в четвертоми во втором тактах работы устройства, когда происходит стробированиесигнала в точках, выделенных меткамиСтоп" и Старт соответственно(фиг,2 д). После установки яркостныхметок на границах интересующего временного интервала численное значениеэтого интервала появляется на цифровом индикаоре 23, который отображает число, переписанное в регистр 21из счетчика 20. Регистр 21 необходимдля устойчивого (без мерцаний) отображения результата измерения.Занесение цифровой информации врегистр 21 происходит по сигналу переполнения счетчика 22 накоплений(фиг,2 л), который подсчитывает сигналы переполнения со счетчика 14 режима (фиг,2 к). Сигнал переполнениясо счетчика 14 режима появляется вконце каждого цикла работы,а сигнал переполнения со счетчика 22 накоплений один раз за и циклов работы,где и - число накоплений, определенное емкостью счетчика 20. Одновременно с занесением информации в регистр 21 происходит установка счетчика 20 в нулевое состояние и начинается новое измерение,Накопление результатов отдельныхизмерений в реверсивном счетчике 20позволяет снизить частоту эталонныхимпульсов, вырабатываемых генератором 19, в 1 и раз по сравнению счастотой, которая необходима дляпроведения однократных измерений,приусловии получения одинаковой точности.Наиболее высокую точность предлагаемый способ измерения длительности5временных интервалов позволяет получить в осциллографе с цифровыми измерениями, который управляется встроенным микропроцессором. В этом случае определение амплитуды исследуемого сигнала осуществляется не поэкрану осциллографа, а непосредственно по массиву (множеству) мгновенных значений исследуемого сигнала в цифровом коде, Вычисление постоянных уровней Старт и Стоп исравнение мгновенных значений исследуемого сигнала с этими уровнямитакже осуществляется в цифровом виде микропроцессором, Это позволяет 20исключить погрешность задания интересующего интервала времени, связанную с нелинейностью усилителя вертикального отклонения, нелинейностьюсистемы вертикального отклонения25трубки, визуальной погрешностью совмещения по экрану трубки и т.д,Постоянные уровни Старт" и"Стоп", а также первое и второе значения второго сигнала развертки запоминаются в этом случае в цифровомвиде в ОЗУ микропроцессора. Преобразование запомненных значений второгосигнала развертки в аналоговую формуосуществляется с помощью отдельногоцифроаналогового преобразователя.Определение длительности вспомогательных импульсных сигналов "Старти Стоп", определение длительностиинтересующего интервала времени пу Отем вычитания длительности сигнала"Старт" иэ длительности сигнала"Стоп", преобразование полученногокода в форму, удобную для индикации,например в двоично-десятичный семисегментный код, и управление цифровым индикатором осуществляется программными средствами с помощью микропроцессора, Таким образом, микропроцессор (совместно с ОЗУ, ПЗУ иблоками ЛЦП и ЦАП) заменяет все счетчики 7, 8, 14, 20, 22 и регистр 2 (фиг.1). Причем появляется воэможность проведения автоматических измерений, при проведении которых микропроцессор выполняет также функции резисторов. Органы управления, выполняющие функции резисторов, необходимы лишь в ручном режиме иэмере - ний.Формула изобретенияОсциллографический способ измерения временных параметров сигналов, содержащий операции формирования последовательности синхроимпульсов, формирования первого, синхронного с синхроимпульсами, и второго сигналов развертки, сравнения этих сигналов и формирования строб-импульсов в моменты совпадения мгновенных значений первого и второго сигналов развертки, определение амплитуды исследуемого сигнала по множеству его мгновенных значений, полученных путем стробирования исследуемого сигнала, и определение двух постоянных уровней Старт" и "Стоп", соответствующих, например 0,1 и 0,9 амплитуды исследуемого сигнала, сравнение мгновенных значений исследуемого сигнала с уровнями Старт" и Стоп и определение измеряемого временного интервала, ограниченного зафиксированными моментами времени нСтарт и Стоп о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения коротких временных интервалов, фиксацию моментов времени нСтарт" и "Стоп" осуществляют путем запоминания первого и второго значений второго сигнала развертки, при которых мгновенные значения исследуемого сигнала равны постоянным уровням "Стартн и "Стоп" соответственно,сравнения мгновенных значений первого сигнала развертки с первым и вторым запомненными значениями второго сигнала Развертки и фиксации моментов времени их совпадения.1372234 оставитель Л.Сорокехред М, Ходанич ректор В. Гирня дактор Н.Тупица Подписноеитета СССР Тираж 772 Государственлам ивобретечМосква, Ж,Заказ 476 ого кийио НИИ крытииая наб., д.4 по де3035,11 роизводствепно в полиграфическ предприятие, г,Ужг р д, у